Elektrofahrzeuge – Paradigmenwechsel in der Fahrzeugsicherheit?#


von


Wolfgang Hermann Steffan, Jürgen Gugler

Institut für Fahrzeugsicherheit


Hermann Steffan
Hermann Steffan

Jürgen Gugler
Jürgen Gugler


Hermann Steffan ist Leiter des Instituts für Fahrzeugsicherheit, Member of [FSI], und seit mehr als 20 Jahren auf dem Gebiet der Verkehrsunfallforschung sowie der Ableitung von Konzepten und Prüfmethoden tätig

Jürgen Gugler ist seit mehreren Jahren in der Fahrzeugsicherheit tätig und forscht im Bereich der "Elektro"-Fahrzeugsicherheit.


© Forschungsjournal 2009/02



Die Verknappung flüssiger Rohstoffe sowie das Problem der hohen CO2-Emmissionen und der damit verbundenen Klimaerwärmung können dem Elektrofahrzeug in naher Zukunft große Bedeutung zukommen lassen. Es gibt derzeit die unterschiedlichsten Ansätze, um leistbare Elektrofahrzeuge in Verbindung mit einer akzeptablen Reichweite zu entwickeln. Die Konzepte reichen hierbei von unterschiedlichen Hybrid-Varianten bis hin zum reinen Elektrofahrzeug.


Diese Konzepte stellen neue Herausforderungen an die "Elektro"- Fahrzeugsicherheit. Die Fahrzeugsicherheit im Allgemeinen hat in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. So ist es gelungen, in den industrialisierten Ländern in den letzten 30 Jahren trotz einer Verdreifachung des Verkehrs die Anzahl der Verkehrstoten um ca. 80 Prozent zu senken, einen Anstieg bei den Verletzten zu unterbinden und die Verletzungsschwere zu verringern. Eine der wesentlichen mitverantwortlichen Faktoren hierfür ist die verbesserte passive Sicherheit moderner Fahrzeuge. Beim Elektrofahrzeug gilt es, die Energiespeicherung und das geänderte Antriebskonzept kombiniert mit Leichtbau mit dem derzeit hohen Anspruch der passiven Sicherheit zu koppeln.


Fahrzeuge mit unterschiedlichen E-Antriebskonzepten

Packaging - Opel Ampera
Neue Herausforderungen ans Packaging - Opel Ampera
© Forschungsjournal 2009/02 / GM Europe/Adam Opel GmbH: Grazer Safety Update Conference, Graz 2009, Proceedings
Es ist heute bereits üblich, konventionelle Fahrzeuge so zu konstruieren, dass sie trotz unterschiedlicher Motorvarianten und damit verbundenen unterschiedlichen Abmessungen, Gewichts - und Steifigkeitsverteilungen alle Crashnormen und Konsumenten-Testprogramme erfüllen können.

Mit der Einführung von Elektrofahrzeugen erweitert sich diese Problematik enorm. Solange es sich nur um Hybridfahrzeuge handelt, ergeben sich meistens nur insofern Veränderungen, als die zusätzliche Batteriemasse im Fahrzeug crashsicher verbaut und eine sichere Stromführung gewährleistet werden muss. Batterien werden derzeit fast ausschließlich im Bereich der Sicherheitszelle integriert, und zwar so, dass es bei allen gängigen und über Crashtests evaluierten Unfallszenarien nicht zu Verformungen der Batterien kommt.

So verbaut beispielsweise General Motors im neuen Opel Ampera das gesamte Batteriepaket in der Mitte des Fahrzeuges hinter der Feuerwand bis in den Tankbereich. Um die Batterien wird außerdem noch ein zusätzlicher Rahmen gezogen, der einen weiteren Schutz und gleichzeitig die tragende Struktur des Fahrzeuges bildet. Beim reinen Elektrofahrzeug verschärft sich diese Problematik aufgrund des fehlenden Motor-Getriebekomplexes im Frontbereich als Bestandteil des Lastpfades bei Kollisionen.

Batteriepaket – Opel Ampera
Batteriepaket – Opel Ampera
© Forschungsjournal 2009/02 / GM Europe/Adam Opel GmbH: Grazer Safety Update Conference, Graz 2009, Proceedings

Sicherheit der Batterien

Elektrofahrzeuge verfügen meistens über eine Vielzahl von Einzelzellen, die insgesamt mehrere hundert Kilogramm wiegen können und zu Modulen und in weiterer Folge zum Batteriepaketverschaltet sind. Zur Anwendung kommen derzeit verschiedene Zellen auf Lithium Basis. Diese können aber auch nach dem Unfall hohe Ladungs-Restkapazitäten aufweisen, wobei um gute Wirkungsgrade zu erreichen, häufig auch hohe Spannungen vorliegen. Diese elektrischen Energien können hohe Verletzungsrisiken sowohl für die Insassen als auch für die Retter darstellen.


Zahlreiche Batterietypen bergen außerdem das Risiko einer thermischen Instabilität im Kurzschlussfall bzw. bei Überladung bis hin zur Selbstentzündung. Dieses Problem ist auch von Laptop- bzw. Mobiltelefon-Akkus bekannt und verursachte bereits weltweite Rückholaktionen. All diese wenig erforschten Risiken führen dazu, dass die Batterien heute fast ausschließlich in den Bereich der Sicherheitszone verlagert und geschirmt werden. Eine Positionierung der Batterien im Bereich der Verformungszonen wird derzeit kaum verfolgt.


Paradigmenwechsel

Frontalkollision
Frontalkollision
© Forschungsjournal 2009/02 / accident data base TU Graz/Institut für Vehicle Safety
Vor allem bei Frontalkollisionen konnten große Fortschritte in der Fahrzeugsicherheit erzielt werden. Durch Abstimmung von Verformungszonen und Lastpfaden inkl. Motor und Getriebe kommt es kaum noch zu Intrusionen in die Fahrgastzelle. Bei voll elektrischen Fahrzeugen, insbesondere bei Antrieben mit Radnabenmotoren, fehlt nunmehr einer der Hauptlastpfade, da Motor und Getriebe direkt in den Rädern verbaut werden.


Diese Aufgabe gilt es neu zu adressieren und zu überdenken. Eine Lösung dieser Aufgaben bildet aber die Grundvoraussetzung für einen flächendeckenden Einsatz von Elektrofahrzeugen, wobei auch eine volle crashtechnische Kompatibilität der Fahrzeuge mit konventionellen Fahrzeugen berücksichtigt werden muss.


Dies wird aber an die "Elektro"-Fahrzeugsicherheit noch viele Herausforderungen stellen und zu geänderten Fahrzeugkonzepten mit einem intelligenten Aufbau und struktureller Integration des Energiespeichers führen, die bestmöglich und schnell gelöst werden müssen. Eine Reduktion der Sicherheit für die am Verkehr beteiligten Menschen ist sicher nicht akzeptabel.